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吉建斌

 
 
 

日志

 
 

颗粒污泥的风干过程及其结构特征(上)  

2017-12-30 07:23:55|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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李志华,张玉蓉,王晓昌西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710055

(原载于环境科学32卷8期2353至2357页)

 

摘要:采用SBR反应器培养丝状菌颗粒污泥,反应器运行第18、23、27 d依次出现普通好氧活性污泥黄色颗粒、黑色丝状真菌颗粒,及具有光滑表面的白色微丝菌颗粒。对出现的以上3种颗粒污泥进行风干实验,分析了不同类型颗粒表面结合自由水和毛细水的分布特性:丝状菌形成的黑色和白色颗粒表面结合的自由水分别为79%和83%,而传统的以细菌为优势菌群的黄色颗粒中自由水为64%,表明颗粒表面积、表面开口孔隙以及内部孔隙率由大到小的排序为:白色、黑色和黄色颗粒。根据风干过程中不同阶段的速率可以推断,白色和黑色的颗粒表面基质交换速度较快,易形成松散的大颗粒,不利于颗粒的稳定。另外,颗粒切片的图像分析结果也显示丝状菌颗粒孔隙率较黄色的细菌颗粒大。颗粒化的丝状菌具有较高的生物活性,表现出良好的COD降解和脱氮性能。黑色和白色丝状菌颗粒的SOUR分别是普通黄色细菌颗粒的1.29和1.26倍。

关键词:丝状菌;颗粒化;风干速率;污水处理

 

Air Drying Process of Granules and Characteristics of Their Structure

LI Zhi-hua, ZHANG Yu-rong, WANG Xiao-chang (Key Laboratory of Northwest Water Resources, Environment and Ecology, Ministry of Education, School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)

Abstract: Filamentous granules were cultivated using a sequencing batch reactor. The yellowish bacteria dominated granules, black fungi dominated granules and Microthrix parvicella dominated white smooth granules occurred in the reactor on the day 18, 23 and 27 respectively. Distribution of surface related free water and capillary water were analysis using air drying method. It was found that the surface related free water in the black and white filamentous granules was 79% and 83%, respectively, and that in the conventional bacteria granules were 64%, suggesting that the surface area opening ratio of surface and porosity decreased in the order of white, black and yellowish granules. According to the air drying rate in different phases of granules, it can be inferred that the white and black filamentous granules could rapidly exchange the substrates on the surface and consequently prone to be big and loose, which discourages the stability of granules. Additionally, the section image showed that filamentous granules were more porous than the black bacteria granules. Filamentous granules exhibited encouraging COD and nitrogen removal efficiencies. The black and white filamentous granules showed higher bioactivity with the oxygen up-take rate (SOUR) of 1.29 and 1.26 fold of the conventional yellowish granules.

Key words: filamentous microorganisms; granulation; air drying rate; wastewater treatment

 

好氧颗粒污泥可认为是污水生物处理系统中微生物聚集体聚集度(污泥空间上的物理聚集与微生物种类的聚集)最大的一种污泥形态[1],具有广阔的应用前景[2],但难以长期维持稳定是其广泛运用的瓶颈,其中以丝状菌大量繁殖导致颗粒解体最为常见。近年来有大量的实验证据显示丝状菌也可以以聚集度最大的颗粒形态成长。例如,往好氧颗粒污泥中接种丝状真菌,在低有机负荷[COD 0.5g/(L·d)]下,丝状真菌颗粒逐渐成为优势种群[3];在高含盐(5%氯化钠)条件下,可形成不同颜色和不同种群占优势的丝状菌颗粒污泥[3];在较低pH(pH=3.0)、葡萄糖为基质的情况下形成丝状菌颗粒[4]。由此可见,丝状菌以颗粒形态成长的条件较为广泛。但丝状菌的大量繁殖到底在何种条件下会导致颗粒解体[5],在何种条件下自身会以颗粒形态成长,目前尚不清楚。为此,本研究在实验室条件下,以常规颗粒污泥培养过程中在不同时间出现的不同形态的丝状菌颗粒为对象,从含水率、脱水速率、表面结构以及生物活性等方面比较了这些颗粒的特性,旨在探讨不同形态或种属丝状菌对颗粒稳定性影响的内在机制。

1 材料与方法

1.1 实验装置及流程

实验反应器内径5cm,有效容积2L,接种污泥为西安市第四污水厂A2/O二沉池回流污泥,污泥质量浓度为9316 mg/L。反应器按SBR操作模式进行,运行周期4h,其中进水5min,曝气226min,沉淀4min,排水5min。采用玻璃砂芯从反应器底部曝气,气体流量为1.2 L/min。反应器从底部进水,中部排水,每周期进水、排水均为1L。反应器控制温度为(25±1)。实验配水以乙酸钠和葡萄糖以2∶1的比例混合作为碳源,氯化铵作为氮源,磷酸二氢钾作为磷源。使进水COD浓度为600mg/L,NH4+-N浓度为60mg/L,TP浓度为40mg/L,进水pH约为6.8.

1.2 测试与分析方法

(1)颗粒粒径、沉速及密度根据颗粒的大小,采用尼康N90i全自动显微镜和数码相机拍照记录粒径。颗粒污泥的沉速采用自由沉淀法。颗粒污泥的密度采用蔗糖梯度溶液法进行测定[6]

(2)含水率及脱水速率含水率计算公式为:含水率=1?Wdry/Wwet,式中,Wwet是将颗粒表面水通过滤纸吸干后所得到的质量,也称为湿重;Wdry是将颗粒放在105烘箱中干燥过夜恒重后得到的质量,也称为干重。脱水速率计算,将随机抽取的一定数量的颗粒放在载玻片上,用吸水纸吸干表层水后,同时放置于干燥器中,每间隔0.5 h用HR-120电子分析天平(120 g/0.1mg)称重,计算颗粒脱水速率。

(3)孔隙率颗粒经多聚甲醛在4固定过夜后采用OCT进行包埋,在?20条件下进行冷冻,然后切片(MICROM HM 500 O),切片厚度为50μm。切片的样品在显微镜下进行观察拍照,使用显微镜图像计算软件(NIS-Elements AR 3.0)计算颗粒空洞面积与颗粒断面总面积比值。

(4)COD、NH4+-N、NO3?-N等水质分析按国家标准方法进行[7]

2 结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥形成过程及丝状菌颗粒化过程

反应器运行18d后,出现大量黄色的普通颗粒污泥,在运行23d后,反应器内可观察到黑色颗粒,在随后的4d,反应器内出现个别具有光滑表面的白色颗粒。经显微镜形态和革兰氏、硫粒、奈氏等系列染色实验鉴定,黑色的颗粒以真菌为主,而白色颗粒以微丝状菌为主。

在反应器运行47d后,取反应器混合液200mL,对其中所有黑色、白色颗粒进行分析,而黄色颗粒由于粒径小,数量多,因此随机抽取500个颗粒进行分析,以保证结果的可靠性和代表性。其分析结果如表1所示。可以看出,黑色颗粒粒径最大,白色次之,黄色颗粒粒径最小;黑色和黄色颗粒均有较大的密度,而白色颗粒的密度最小。以上结果表明,黑色的真菌可形成密实度与普通颗粒污泥相近的颗粒,而白色的微丝菌则难以达到与普通颗粒相同的密度。尽管如此,由于白色颗粒有较大的粒径,表现出较好的沉淀速度,因此在目前以沉速作为选择压(selective pressure)的条件下,白色微丝菌颗粒仍然可以在系统中被大量保留。

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2.2 不同颗粒含水率及风干脱水速率比较

白色颗粒与黑色颗粒含水率相近,均为96%,而黄色颗粒含水率为85%。本研究风干实验是在室温条件下进行的,所去除的水分均为颗粒污泥内部非化学作用保留的水分,包括自由水和毛细水[8]。风干实验结果表明,3种颗粒的脱水速率均符合含湿多孔介质干燥特性,即有3个明显的阶段[9,10]:①恒速干燥阶段,干燥过程主要在颗粒表面上进行;②当颗粒表面开始形成干斑时,进入第二阶段,在本阶段颗粒表面全部被干燥,其干燥过程主要在颗粒内部孔隙与表面之间进行,干燥速率呈下降趋势③第三阶段的干燥过程主要在颗粒内进行蒸发因此,自由水的去除主要在第一、二阶段完成,毛细水的去除主要在第三阶段完成由此可计算出不同颗粒非化学作用保留水分的比例,如表2所示按照含湿多孔介质干燥模型,在风干实验完成第三阶段时,理论上毛细水全部被去除即风干实验所测得含水率与在105℃条件下烘干2h后计算结果一致但在本研究中发现,白色和黑色丝状菌颗粒污泥基本上接近理论值,但普通的黄色颗粒离理论值还有一定差距

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由表2可以看出,黑色和白色颗粒所含自由水比例相近,但白色颗粒第III阶段完成时间更短,表明白色颗粒表面积、表面开口孔隙以及内部孔隙率较黑色颗粒大黄色颗粒所含自由水比例较前述2种丝状菌颗粒小,说明黄色颗粒结构最密实、内部孔隙率最小这一点与通过颗粒切片后图像分析的孔隙率数据一致图1与表1)。

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